K621ZENT Základy elektrotechniky Přednáška ř č. 2 Osnova: 1. Polovodiče materiály, dotace 2. Polovodičové diody 3. Dynamické parametry 4. Typy diod 5. Aplikace diod 6. Tranzistory
Polovodiče Pro polovodiče je charakteristické, že při teplotě 0 K se chová polovodič jako izolant a se vzrůstající teplotou se zvyšuje energie atomů mřížky (tepelné kmity) a elektrony mohou přeskočit do vodivostního pásu (šířka zakázaného pásu < 3 ev). Nejčastěji používaný polovodičový materiál je křemík Si, který má 4 valenční elektrony. Jimi tvoří atom kovalentní vazbu se čtyřmi sousedními atomy v krystalové mřížce Vodivost vlastních polovodičů je silně závislá nateplotě s teplotou roste. Tohoto jevu se využívá při konstrukci pasivních polovodičových součástek, např. termistoru NTC, který slouží jako omezovač proudu při zapnutí napájení. Za studena vykazuje termistor poměrně velký odpor, tudíž po zapnutí napájení omezí proudovou špičku. Průchodem proudu se termistor zahřívá a zmenší svůj odpor.
Dotace Při dotacinahradímeatomkřemíku např. atomemfosforup,kterýmápět valenčních elektronů. Čtyři utvoří vazbu s ostatními atomy v mřížce a pátý se stane volným přejde do vodivostního pásu. Prvek, který přinese elektron navíc, se nazývá donor, dárce. Takto dotované polovodiče senazývajípolovodiče typun(negativní), protože mají navíc volné elektrony ve vodivostním pásu (počty děr avolnýchelektronů v krystalu se nerovnají, počet volných elektronů je větší zvýší se vodivost). Přiložíme lili k polovodiči typunvnější elektrické pole, elektrony jsou unášeny tímto polem. Říkáme, že v polovodiči typunzprostředkovávají vodivost volné elektrony.
Dotace Nahradíme li atom křemíku prvkem se třemi valenčními elektrony (např. galium Ga), čtvrtá vazba zůstane neúplná. Toto kladnější místo bez elektronu se nazývá díra. Příměsi tohoto typu se nazývají akceptory, jimi dotované polovodiče se nazývají polovodiče typu P (pozitivní). Obdobně, v polovodiči typu P je v krystalu celkově větší počet děr než volných elektronů. Díramůže být zaplněnajinýmelektronemuvolněným ze sousedních vazeb (rekombinací), např. zvýšením teploty nebo pomocí vnějšího elektrického pole. Na celý proces je možné nahlížet také tak, jako by se díry (kladné částice) pohybovaly v polovodičivesměru intenzity pole. Říkáme, že v polovodiči typu Pzprostředkovávají vodivost díry. 4
Závislosti vodivosti polovodiče na teplotě má exponenciální tvar. Majoritní (většinový) a minoritní (menšinový) nosiči náboje jsou to ty nosiče, které v daném polovodiči převládají. PN přechod Přechod se vytváří vhodnýmitechnologickýmipostupy,kdesevjednomkrystalu polovodičevytvoří oba typy vodivosti P a N.
Polovodičové diody Vzávěrném směru u reálné diody protéká malý zbytkový proud řádově µa. Překročí li napětí v závěrném směru tzv. hodnotu průrazného napětí Uz, proud přechodem prudce vzroste a přechod PN se zahřeje a zničí (dioda se prorazí). Ke zničení diody dochází v časechh menších než 1s. Svodový (btk (zbytkový) proud a hodnota průraznéhoů napětí jsou důležitým katalogovým údajem. Někdy se ještě udává špičkové závěrné napětí. To je maximální hodnota amplitudy napěťového impulsu přiloženém v závěrném směru, při které nedojde k průrazu. V katalogu bývají udány hodnoty pro různé šířky pulsu (např. 0,5s). Bývá větší něž statická hodnota Uz. V propustném směru se definuje tzv. prahové napětí. Je to takové napětí přiložené v propustném směru, kdy začíná diodou protékat proud. Z dalších parametrů diod je důležitý maximální proud v propustném p směru (maximální proud, který nezpůsobí zničení diody) a maximální ztrátový výkon Voltampérová charakteristika diody
Dynamické parametry diody Při průchodu proudu v propustném směru je přechod zaplaven volnými nosiči náboje. To způsobí, že přizměně polarizace přiloženého napětí z propustného do závěrného směru dioda určitou dobu v závěrném směru vede protéká jí proud I RP po dobu T, a to do té doby, než se z oblasti přechodu nosiče vyčerpají. Pak proud v závěrném směru klesá exponenciálně až k hodnotě zbytkovéhoproudu. Určení pracovního bodu = doba zotavení
Zenerova dioda Průraz v závěrném směru je nedestruktivní a nazývá se Zenerův průraz, průrazné napětí se jmenuje Zenerovo napětí. Se zvyšováním teploty se napětí snižuje. Diody se označují jako Zenerovy a používají se zejména pro stabilizaci napětí. Zenerovy diody bývají konstruovány pro napětí cca od 5V do 15V. Speciální diody Zejména v logických obvodech řady TTL byly klasické diody nahrazeny Shottkyho diodami. Jde o diody s přechodem kov polovodič, kterésevyznačují malým prahovým napětím (0,2V až 0,3V) a velkou rychlostí (krátkou dobou závěrného zotavení). Speciální variantou diody je kapacitní dioda neboli varikap. Dioda jako součástka, resp. PN přechod, vykazuje také určitou kapacitu, hlavně vzávěrném směru. Právě varikap je speciálně konstruovaná dioda, jenž vykazuje silnou závislost kapacity přechodu v závěrném směru v závislostina přiloženém napětí. Aplikace Nejdůležitější aplikace diod je v oblasti usměrňovačů střídavých napětí. Usměrňovací diody jsou konstruovány s malým odporem a velkou maximální hodnotou propustného proudu a velkým průrazným napětím (např. nejběžnější 1N4007 má max. proud 1A a průrazné napětí v závěrném směru 1000V).
Aplikace diod jednocestné usměrnění
Aplikace diod dvoucestné usměrnění
Aplikace diod omezovač napětí stabilizace napětí
LED Přiložením napětí v propustném směru dochází k injekci nosičů přes přechod PN a ty rekombinují s nosiči opačného znaménka. Při rekombinaci dochází k vyzáření energie ve formě fotonu (světla). Vlnová délka světla ě (tj. barva) závisí na šířce zakázaného pásu, tj. na použitém materiálu. Např.proGaAsjeλ = 550 nm. Vlt Voltampérová charakteristika tik diodyd odpovídá klasické ké (usměrňovací) ě ň diodě. Při použití je potřeba zajistit ochranu proti nadměrnému závěrnému napětí a v propustném směru omezit proud diodou rezistorem v sérii. Fotodioda Fotodiody pracují na principu fotoelektrického jevu. Foton (kvantum světla), který vstupuje do polovodiče, je pohlcen elektronem a jeho energie je využita na přestup elektronu do pásu s vyšší energií (vodivostní pás). Vznikne pár elektron díra. Maximální vlnová délka světla, při nížještě může dojít k absorpci, závisí na šířce zakázaného aného pásma, tudíž na materiálu. Pár elektron díra zvyšuje v polovodiči napětí (fotovoltaický, hradlový režim) nebo zvětšuje jeho vodivost (fotovodivostní jev). Velikost napětí se zvětšuje s osvětlením logaritmicky.
Tyristor Tyristor je čtyřvrstvý polovodičový prvek se třemi přechody J1, J2, J3. Má tři vývody anodu A, katodu K a řídící elektrodu G. Používá se především jako řízený spínač. Pokud je tyristor připojen na napětí tak, že anoda je polarizována záporně vůči katodě, jsou přechody J1 a J3 polarizovány v závěrném směru a J2 v propustném. Tyristor je v závěrném stavu a jeho chování je shodné s diodou proud neprochází. V tomto stavu nesmí být přivedeno na řídicí elektrodu žádné napětí. Pokudje tyristorzapojenv propustném směru, (tj. anoda na kladný pól, katoda na záporný pól zdroje), situace se otočí apřechody J1 a J3 jsou polarizovány propustně, J2závěrně. Přechod J2 tedy brání průchoduů proudu (na rozdíl od diody). Tyristorsenacházív tzv. blokovacím stavu proud jím neprochází. Teprve po přivedení signálu (kladného napětí vůči katodě )na řídicí elektrodu (které vyvolá spínací proud I G ) tyristorová struktura spíná, tj. začne jí procházet proud (propustný stav). Pokud tyristor sepne, nemá na chování tyristorové struktury již řídicí elektroda vliv.
Tyristor vratný proud spínací napětí Tyristor se využívá především jako regulátor výkonu spotřebiče ve střídavých obvodech.
Tranzistory Tranzistory PNP a NPN se označují jako bipolární, protože na jejich funkci se podílejí jak elektrony tak díry.
Zapojení tranzistorů T i j íse ží á jk il č ž á lké íl í jl ší Tranzistor v zapojení SE se používá jako zesilovač,protože má velké zesílení a nejlepší impedanční přizpůsobení.
Charakteristiky tranzistoru v zapojení SE V prvním kvadrantu je výstupní, v levém spodním vstupní charakteristika; do levého horního kvadrantu se zakresluje proudová převodní, do pravého dolního napěťová převodní charakteristika.
Stejnosměrný zesilovač napětí Emitorový sledovač Darlingtonovo zapojení
Střídavý zesilovač Klidový pracovní bod je nejvýhodnější nastavit do poloviny zatěžovací přímky, tj. aby napětí mezi kolektorem a emitorem bylo na polovině napájecího napětíě Zaručena stejná amplituda rozkmitu napětí U CE na obě strany.
Dá se dokázat, že největší kolektorová ztráta nastává (tranzistor se nejvíce zahřívá), je li napětí mezi kolektorem a emitorem rovno polovině napájecího napětí, tj. právě v klidovém pracovním bodě. Paradoxně je tranzistor nejvíce zatížen, když na vstupu není žádný vstupní střídavý signál. Pokud chceme odebírat z výstupu zesilovačevelký proud, musí být kolektorový rezistor malý a tranzistor je také výkonově namáhán. Proto se tento zesilovač,tzv.zesilovač ve třídě A, používá pouze pro malé výkony. V koncových stupních je běžný zesilovač ve třídě B. Obvykle je zapojen jako dvojčinný má dva tranzistory (komplementární NPN a PNP), každý s tranzistorů zesiluje po dobu jedné polovinu periody signálu (tedy jeden kladnou, druhý zápornou půlvlnu).